Modelowanie nanosystemów przy użyciu złożonych, wieloskalowych symulacji
Precyzyjne modelowanie nanosystemów wymaga zawiłych symulacji w wielu skalach oraz bazującego na wielu modelach podejścia, które umożliwi powiązanie różnych zjawisk w skalach nano, mikro, mezo i makro. Chociaż dostępne obecnie narzędzia i modele symulacyjne pozwalają dokładnie charakteryzować materiały w każdej z tych skali z osobna, nie istnieje jednak żaden zintegrowany, wieloskalowy program symulacji umożliwiający bezproblemowe łączenie i sprzęganie różnych modeli działających w różnych skalach. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projekt SIMPHONY pomogli wypełnić tę lukę, opracowując wspomagające projektantów łatwe w użyciu, zintegrowane środowisko do wieloskalowego modelowania nanomateriałów i nanosystemów. „Jednym z głównych celów projektu było stworzenie możliwej do rozbudowy otwartej platformy przeznaczonej do integrowania różnych istniejących symulacji open-source i symulacji komercyjnych z oprogramowaniem do pre- i postprocessingu” – wyjaśnia Adham Hashibon, koordynator projektu. Wg Hashibona w tym celu należy „opakować” pakiety symulacyjne w wydajny, interoperacyjny interfejs zaprogramowany w języku wysokiego poziomu (np. Pythonie) i komunikujący się z systemami zewnętrznymi za pośrednictwem wspólnego interfejsu programowania aplikacji (API, Application Programming Interface). „Ponieważ ten system umożliwia zarówno powiązywanie, jak i sprzęganie kodów, platforma SIMPHONY będzie stanowić podstawę do tworzenia nowych, wieloskalowych rozwiązań” – mówi. Zintegrowane z platformą narzędzia do modelowania obejmują wszystkie niezbędne modele we wszystkich skalach, w tym elektronicznej, atomistycznej, mezoskopowej i ciągłej. Niezwykle istotne odkrycia W projekcie SIMPHONY dokonano kilku ważnych odkryć. Przykładowo podczas systematyzowania komunikacji wewnątrz i zewnątrzprocesowej oraz wymogów w zakresie danych wymaganych dla każdego zestawu narzędzi i modeli badacze opracowali wstępny zestaw warunków projektowych w zakresie programowania wysokiego poziomu dla wrapperów interfejsu i struktur CUDS (Common Unified Data Structures). „Struktury CUDS pełnią rolę interoperacyjnej warstwy pomiędzy wszystkimi modelami a oprogramowaniem symulacyjnym” – tłumaczy Hashibon. „Do innych ważnych sukcesów należy stworzenie podstawowej ontologii dla aplikacji i modeli obliczeniowych”. Uczestnikom projektu udało się też zdefiniować atrybuty CUBA (Common Universal-Unified Basic Attributes) w postaci wspólnej nomenklatury i metadanych dla modeli wieloskalowych i aplikacji. „Podczas gdy atrybuty CUBA z założenia określają metadane dla modeli wieloskalowych, struktury CUDS definiują odpowiednie schematy tych metadanych” – twierdzi Hashibon. „Razem zapewniają płynne przekazywanie informacji oraz odwzorowywanie modeli i danych we wszystkich domenach podrzędnych, co pozwala na bezproblemowe łączenie i sprzęganie modeli”. Efektywność nowej metody modelowania Bazując na ogólnych wymaganiach i specyfikacjach CUDS, badacze opracowali dwa rodzaje wrapperów interfejsu dla silników modelujących. To doprowadziło do powstania zestawu aplikacji symulacyjnych obejmujących wszystkie modele i skale, w tym trzy główne domeny obliczeniowe dla systemów kratownicowych, cząsteczkowych i siatkowych. „Projekt SIMPHONY dowiódł efektywności nowej techniki modelowania w wybranych dziedzinach nanotechnologii – z jej użyciem udało się zaprojektować i rozwinąć kilka specjalnych, wieloskalowych narzędzi do modelowania pozwalających skrócić czas poświęcany na opracowanie nowych nano- i mikroprzepływowych urządzeń do zastosowań w sektorach biomedycznym, chemicznym i energetycznym” – podsumowuje Hashibon. „W szczególności dotyczy to systemów do nanodrukowania, systemów NEMS (Nano Electro Mechanical Systems), systemów spieniania i systemów mikroprzepływowych”.
Słowa kluczowe
SIMPHONY, nanotechnologia, nanomateriały, NEMS, CUDS